季節性凍土的凍脹力及水工建筑物防凍害措施

一、凍脹力的形成：

影響土的凍脹因素很多，主要是水、土、溫、壓因素。其中水、土是主要因素。土的凍脹是由于土體中含水量超過起始凍脹含水量，在負溫下孔隙水部分凍結，對土骨架將產生擠壓力。如果未凍水沒有向外排泄條件，土開始凍脹。但如果能將其余未凍水擠走，以上體積增量將由孔隙中剩余空間所容納，土體也不會產生凍脹。如果凍脹過程中有外水補給發生了強烈的水分遷移，生成大量的冰夾層，將產生強烈的凍脹。經觀測：冰夾層的厚度大致等于凍脹量。沿凍深分步的冰夾層基本上代表了凍脹量沿凍深的分步情況。上層土的凍夾層厚而稀，而下層土的冰夾層薄而密。

土壤粒徑、級配及溫度變化，外水補給，外荷載的大小等都直接影響凍脹的程度。當土粒的粒徑為0.05～０.002mm之間，土中水分遷移劇烈，土的凍脹量比較大，這種土的吸引水分能力強。土體中水分的遷移是靠結晶力、吸附力、毛細力、溫度差和表面能差產生薄膜水移動，其中冰結晶力、毛細力和表面能差是水分遷移的主要動力。

土體凍結時，凍結面附著土顆粒的水膜被冰晶體吸薄，為了維持顆粒表面能的平衡，其他土顆粒的水膜向較薄的顆粒表面移動，為達能量的平衡，不斷的移動，不斷的凍結，放出潛熱結晶成冰。

季節性凍土地區經過多次凍融循環，土的孔隙比是比較大的，凍結期土經過不均勻的凍脹，凍結面是一個凹凸不平的曲面，在凍層由于凍脹而上抬的過程中凹面處形成孔縫，造成負壓區，遷移的水聚集到此而結晶成冰夾層。這種冰夾層體積膨脹9％，產生了內壓力，這種對基礎擠壓和抬起的能力稱之謂凍脹力。

1、封閉式和開敞式凍脹的區別：

（1）封閉式凍脹：在沒有外水補給的條件下，土體中原駐水引起的凍脹為封閉式凍脹，當土體中原駐水小于起始凍脹含水量(粘土W0=13.0)凍結時不但沒有凍脹，反而產生凍縮。表現地面出現下降，體積縮小。當土體中原駐水大于起始凍脹含水量W0時，在沒有外水補給的條件下，雖然產生凍脹，但凍脹量不大。

（2）開敞式凍脹：是除土體中有原駐水外，更主要是有外水補給，源源不斷地遷移來的水聚集在凍結面處，放出潛熱結晶成冰夾層，經觀測冰夾層厚度約1—3cm。產生凍脹力，嚴重的破壞水工建筑物。

2、地下水位的高低是土凍脹強弱的重要因素，凍前地下水位高，水分向凍結面遷移的距離短，水份遷移的快，凍脹量就大。地下水位低，水分向凍結面遷移的距離長，水分遷移的慢，凍脹量就小，經實踐證明，地下水位在凍結前根據不同土質低于凍結鋒面的最小距離(見下表）時，土體有輕微的凍脹或不凍脹。根據這個依據，設計水工建筑物基礎前要先對地下水位進行測量，確定基礎埋深。

而不考慮此條件一律深基礎是一個很大的浪費。例如1975年設計的東方紅水庫灌區一、三支渠進水閘，地下水位低于渠底2.0m，故采用淺基底板厚0.7m，下部換l.07m砂礫石，經過21年的觀測沒有發生凍害。

此外土的級配密度對凍脹性的影響也不可忽視。因密度大小直接影響孔隙水含量，影響水分遷移。當土的密度大于1.6g/cm3時地基土不會產生顯著凍脹。因此，采用提高土體密度的壓實措施，可以防止地基凍脹。

二、基礎凍脹的受力分析：

凍結過程中，產生等溫面，等溫面基本上平行于基礎面。

1、基底法向凍脹力和對建筑物的破壞型式：

基底受凍脹時等溫面基本上平行于基底，而產生的法向凍脹力是垂直于等溫面的，即垂直于基底。在不均勻的法向凍脹力的作用下，外荷載強度小于基底法向凍脹力的強度時，建筑物就會整體上抬。或者在法向凍脹力作用下，基礎底板中間產生負彎矩M，當超過極限值時基礎開始裂紋。在春季地基融沉時，由于基礎周圍邊界條件的影響，基礎底板靠自重不能與融化的地基土同步下沉、復位，造成下滲流量大，沖刷地基，危害建筑物的安全，這是某些中小型水閘失事的一個重要原因。為了防止上述破壞，在修長富電站時在設計上采用了倒置盒式的基礎，增大了基底的剛度，下部換砂礫石。據30年來的觀測沒有發生抬起和斷裂，防止了凍脹。

2、基側法向凍脹力及對建筑物破壞型式：

基側法向凍脹力是垂直于等溫面的，以擋土墻為例，墻后的土體凍脹屬于雙向凍結，垂直于地面的凍脹力只能抬高墻后土體，對墻無害，但垂直墻的法向凍脹力是直接造成擋土墻斷裂、位移等主要因素。特別是翼墻拐角處，應力集中的原故，破壞更為嚴重。

三、水工建筑物的凍害防治措施：

(一)結構措施

1、倒置盒形及箱格形基礎板

一般作用于淺基礎板上的法向凍脹力很大，為增加底板抗變形能力，增加剛度，做成倒置盒型基礎，并在其底部換砂礫石，右圖為長富電站基礎板的結構形式，用漿砌石制作的底板中間換砂，經過30多年的運用，經檢查沒有發生凍脹破壞。如在底部用瀝清或塑料膜隔水，效果會更好。

2、與爆破樁相結合的板型基礎。此法是用樁或柱的擴大基礎來減小基底法向凍脹力。

3、深基礎法。此法需將基礎每處都置于最大凍深以下，基礎厚度幾乎等于最大凍深，此法不經濟，造價高。

4、樁、柱結構采用擴底樁法或擴大式基礎，甚至可以采用錨固底梁法，但都要在凍深以下。

(二)、改變地基土的土、水、溫狀態：

1、換填砂礫(卵石)料，包括基礎換砂和回填砂礫料，必須有排水設施能夠排走砂礫料中的水。也可改用瀝青砂卵石，并夯實。

2、排水設施：無論凍脹性強的粘土還是凍脹性弱的砂礫料，設置排水后均會顯著降低凍脹力。

3、保溫措施：保溫措施是通過減輕寒冷因素的辦法削減凍脹力。

以上是自己在工作實踐中的一點體會，有不當之處請予以指正。

(作者單位：152500 黑龍江省鐵力市水務局)